Інвертуючий широтно імпульсний перетворювач

Інвертуючий широтно-імпульсний перетворювач рис. 2а, б — це перетворювач, дросель фільтра якого включений паралельно, а потужний транзистор — послідовно по відношенню до навантаження.

Рис1. Принципова схема інвертуючого ШІП

Принцип роботи

Рис.2 Інвертуючий широтно імпульсний перетворювач

При відкритому стані силового транзистора $VT$ діод $V_D$, закритий під дією сум напруг джерела живлення і навантаження, доданих до неї в зворотному напрямку, внаслідок чого навантаження від джерела електроенергії відключена рис. 2,в. При цьому паралельно джерелу підключений дросель $L_f$, в якому відбувається накопичення енергії. У момент закривання транзистора $VT$ енергія, накопичена в дроселі, надходить в конденсатор $C_f$ і навантаження, через що відкривається діод рис. 2,г, а полярність вихідної напруги перетворювача буде протилежною полярності напруги живлення. Для режиму безперервного струму враховуємо, що при відкритому стані транзистора до дроселя докладено напруга живлення $V_d$ , а при закритому — $V_n$  рис. 3.

Максимальне і мінімальне значення струму дроселя, транзистора і діода

Для режиму безперервного струму враховуємо, що при відкритому стані транзистора до дроселя прикладена напруга живлення $V_d$ , а при закритому — $V_n$ .

Максимальне і мінімальне значення струму дроселя, транзистора і діода:

$I_{L}max=\left(\frac{Ud}{Re}\right)-\left(\frac{Ud+Un}{Re}\right)\times \left(\frac{b^{-1}-a}{1-a}\right)$

$I_{L}min=\left(\frac{Ud}{Re}\right)-\left(\frac{Ud+Un}{Re}\right)\times \left(\frac{1-ab}{1-a}\right)$, де

$a=e^{\left(\frac{-T}{T_n}\right)}$; $b=e^{\left(\frac{t_i}{T_n}\right)}$; $T_n=\left(\frac{L}{R_n}\right)$;

$R_{e1}=R_{BH}+R_{VT}+R_L$;

$R_{e2}=R_{VD}+R_L$- сумарний опір контуру струму дроселя на першому і другому інтервалі

Часові діаграми перетворювача в режимах безперервного і переривистого струмів

Рис.3.Часові діаграми струмів та напруг інвертуючого перетворювача в режимі безперервного струму

Амплітуда пульсацій:

$\mathrm{\Delta }(I_L)=\left(\frac{Ud+Un}{Re}\right)\times (\frac{(b^{-1}-a)\times 1-ab}{1-a}))$

Залежність вихідної напруги від коефіцієнту заповнення:

$U_n^{*}=\left(\frac{U_n}{U_d}\right)=\left(\frac{t_i^{*}}{1-t_i^{*}}\right)=\left(\frac{\gamma ,}{1-\gamma ,}\right)$

де $t_i$ – тривалість відкритого стану транзистора $VT$ ;

$t_i^{*}=\left(\frac{t_i}{T}\right)$ — відносна тривалість відкритого стану транзистора $VT$, або коефіцієнт заповнення імпульсів $\gamma ,$  .

Середнє значення струму навантаження:

$I_n=\left(\frac{Ud+Un}{Re}\right)\times (\frac{(b^{-1}-a)\times 1-ab}{1-a}))\times \left(\frac{T_e}{T}\right)-\left(\frac{Un}{Rn}\right)\times (1-\gamma ,)$

При збільшенні опору струм Шаблон:Math зменшиться швидше і може наступити режим переривних струмів дроселя Шаблон:Math рис. 4

Рис.4 Часові діаграми струмів та напруг інвертуючого перетворювача в режимі при перервному струмі

Межа між режимами безперервного і перервного струмів може бути визначена нерівністю:

$\left(\frac{2L_f}{R_{n}T}\right)\ge (1-{\gamma }_{VT}{)}^2$

де ${\gamma }_{VT}$  відносна тривалість відкритого стану транзистора $VT$.

При виконанні зазначеної нерівності має місце режим безперервного струму. У режимі безперервної струму пристрій працює стійкіше і надійніше. Виняток — випадки, коли потрібна дуже велика потужність або низький рівень завад. Для режиму безперервних струмів характерні менші пульсації вихідної напруги, більш рівномірне навантаження на силовий ключ і менші високочастотні електромагнітні перешкоди.

Переваги, недоліки, застосування

Інвертуючий ШІП, як і підвищуючий перетворювач, дозволяє отримувати вихідну напругу вище напруги джерела живлення. У вітчизняній літературі зустрічаються й інші назви, наприклад «ШІП з послідовним включенням ключа і паралельним включенням дроселя». Необхідно відзначити, що підвищуючі та інвертуючі перетворювачі характеризуються:

• гіршим використанням елементів фільтра,
• значно більшими габаритами і масою,
• великим внутрішнім опором,
• гіршим використанням по струму регулюючого транзистора і діода в порівнянні із понижуючим перетворювачем.

Втрати енергії в інвертуючому перетворювачі, також як і в понижуючому, і в підвищуючому, пропорційні відношенню вхідної і вихідної напруг. Тому інвертуючі перетворювачі застосовуються, якщо модуль вхідної напруги не більше ніж в 4 рази відрізняється від модуля вихідної. В такому перетворювачі не застосовується вихідний трансформатор, отже немає паразитної індуктивності розсіювання між обмотками — головної причиною, що обмежує потужність імпульсних перетворювачів. З іншого боку, нема можливості розв'язати вхід та вихід перетворювача.

Джерела

• Руденко В. С., Ромашко В. Я., Морозов В. Г. Перетворювальна техніка. Частина 2: Підручник. — К.: ІСДО, 1996. — 329с.
• Руденко В. С., Сенько В. И., Чиженко И. М. Преобразовательная техника. — К.: Вища школа, 1983.